D35 Caracterización de viscoelasticidad

Tópico

La viscoelasticidad de la cutícula determina cómo responde el exoesqueleto del insecto frente a cargas que varían en el tiempo, y esa respuesta cambia radicalmente según la frecuencia con la que varíe la carga: a frecuencias altas, como las del propio batido del ala, la cutícula se comporta de forma predominantemente rígida y elástica, mientras que a frecuencias bajas, frente a deformaciones lentas y sostenidas, la cutícula deja de comportarse como un sólido elástico, lo que hace que empiece a fluir gradualmente, de forma parecida a como lo haría un líquido muy viscoso.

Para caracterizar ese cambio de comportamiento con la frecuencia, existen dos ensayos complementarios: el ensayo de relajación, que fija la deformación de la muestra de cutícula y mide cómo va cayendo la tensión con el paso del tiempo, y el ensayo de fluencia, que en cambio fija la tensión aplicada y mide cómo va creciendo la deformación con el paso del tiempo; ambos ensayos describen, en el fondo, el mismo comportamiento viscoelástico de la cutícula visto desde dos ángulos distintos, lo que hace que estén relacionados matemáticamente entre sí mediante las integrales de Kramers y Kronig.

Ninguno de estos dos ensayos, por sí solo, puede cubrir experimentalmente todo el rango de frecuencias que le interesa a quien estudia la cutícula, pero el principio de superposición tiempo-temperatura, propuesto por Williams, Landel y Ferry, resuelve esa limitación: repetir el ensayo a distintas temperaturas y luego desplazar horizontalmente cada una de esas curvas medidas, con un factor de desplazamiento propio de cada temperatura, hace que todas esas curvas parciales terminen ensamblándose en una única curva maestra que cubre muchos más órdenes de magnitud en frecuencia de los que sería posible medir directamente a una sola temperatura.

Detrás de esa misma equivalencia entre tiempo y temperatura que hace posible construir la curva maestra, hay una transición aún más marcada que aparece cuando, en lugar de variar la frecuencia, se varía directamente la temperatura de la cutícula: esa transición, conocida como temperatura de transición vítrea, se puede medir de forma independiente mediante calorimetría de barrido diferencial, y separa dos regímenes de comportamiento muy distintos entre sí. Por debajo de esa temperatura de transición vítrea, la cutícula se encuentra en un estado vítreo, con un módulo de almacenamiento muy alto, del orden de los gigapascales, y un comportamiento rígido y quebradizo; por encima de esa misma temperatura, la cutícula pasa a un estado elástico-gomoso, con un módulo de almacenamiento miles de veces menor, del orden de los megapascales, y un comportamiento mucho más flexible.

Esta transición vítrea no tiene por qué ser una única temperatura para toda la cutícula: cuando los distintos componentes proteicos que forman la cutícula tienen transiciones independientes entre sí, la cutícula termina presentando varias temperaturas de transición vítrea distintas, una por cada componente, lo que hace que la viscoelasticidad completa de la cutícula del exoesqueleto —desde su rigidez frente al batido rápido del ala hasta su capacidad de fluir lentamente bajo cargas sostenidas— resulte, en última instancia, de la superposición de todos esos comportamientos individuales de sus distintos componentes proteicos.

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